Войти
Схема небольшая часть растущего кристалла. Кристалл состоит из (голубых) кубических частиц на простой кубической решетке. Верхний слой неполный, только десять из шестнадцати позиций решетки заняты частицами. Частица в жидкости (показана красными краями) присоединяется к кристаллу, увеличивая кристалл на одну частицу. Он присоединяется к решетке в точке, где его энергия будет минимальной, то есть в углу незавершенного верхнего слоя (поверх частицы, показанной желтыми краями). Его энергия будет минимальной, потому что в этом положении он будет взаимодействовать с тремя соседями (один внизу, один слева и один вверху справа). Все остальные позиции на неполном кристаллическом слое имеют только одного или двух соседей. A кристалл представляет собой твердое тело материал, составляющие атомы, молекулы или ионы расположены в упорядоченно повторяющемся узоре, охватывающем все три пространственных измерения. Рост кристаллов является основной стадией процесса кристаллизации и заключается в добавлении новых атомов, ионов или полимерных цепочек в характерное расположение кристаллических решетка. Рост обычно следует за начальной стадией либо гомогенной, либо гетерогенной (катализируемой поверхностью) зародышеобразования, если только «затравочный» кристалл, специально добавленный для начала роста, уже не присутствовал.
Действие роста кристаллов дает кристаллическое твердое вещество, атомы или молекулы которого плотно упакованы, с фиксированными положениями в пространстве относительно друг друга. Кристаллическое состояние вещества характеризуется отчетливой структурной жесткостью и очень высоким сопротивлением деформации (то есть изменениям формы и / или объема). Большинство кристаллических твердых веществ имеют высокие значения как модуля Юнга, так и модуля упругости для упругости. Это контрастирует с большинством жидкостей или жидкостей, которые имеют низкий модуль сдвига и обычно демонстрируют способность к макроскопическому вязкому потоку.
В процессе кристаллизации есть две стадии: зародышеобразование и рост. На первой стадии зародышеобразования создается небольшое ядро, содержащее вновь формирующийся кристалл. Зарождение происходит относительно медленно, поскольку компоненты исходного кристалла должны сталкиваться друг с другом в правильной ориентации и размещении, чтобы они сцепились и образовали кристалл. После успешного образования стабильного ядра следует стадия роста, на которой свободные частицы (атомы или молекулы) адсорбируются на ядре и распространяют его кристаллическую структуру наружу от центра зародышеобразования. Этот процесс значительно быстрее зародышеобразования. Причина такого быстрого роста заключается в том, что реальные кристаллы содержат дислокации и другие дефекты, которые действуют как катализатор для добавления частиц к существующей кристаллической структуре. Напротив, идеальные кристаллы (без дефектов) будут расти чрезвычайно медленно.
Кристалл серебра, растущий на керамической подложке. Зарождение может быть либо гомогенным, без влияния инородных частиц, или неоднородных, с влиянием инородных частиц. Как правило, гетерогенное зародышеобразование происходит быстрее, поскольку инородные частицы действуют как каркас для роста кристалла, тем самым устраняя необходимость создания новой поверхности и возникающие потребности в поверхностной энергии.
Гетерогенное зародышеобразование может происходить несколькими способами. Некоторые из наиболее типичных - небольшие включения или порезы в контейнере, на котором выращивается кристалл. Это включает царапины на боках и дне стеклянной посуды. Обычной практикой при выращивании кристаллов является добавление в раствор постороннего вещества, такого как нить или камень, тем самым обеспечивая места зародышеобразования для облегчения роста кристаллов и сокращения времени для полной кристаллизации.
Количество сайтов зародышеобразования также можно контролировать таким образом. Если используется новая стеклянная посуда или пластиковый контейнер, кристаллы могут не образовываться, потому что поверхность контейнера слишком гладкая, чтобы допускать гетерогенное зародышеобразование. С другой стороны, сильно поцарапанный контейнер приведет к появлению множества линий мелких кристаллов. Для получения умеренного количества кристаллов среднего размера лучше всего подходит контейнер с несколькими царапинами. Точно так же добавление небольших ранее изготовленных кристаллов или затравочных кристаллов в проект по выращиванию кристаллов обеспечит центры зародышеобразования в растворе. Добавление только одного затравочного кристалла должно привести к более крупному монокристаллу.
Пример кубических кристаллов, типичных для структуры каменной соли.
Play media Time-lapse роста кристалла лимонной кислоты . Видео охватывает площадь 2,0 на 1,5 мм и было снято в течение 7,2 мин.Граница раздела между кристаллом и его паром может быть молекулярно резкой при температурах значительно ниже точки плавления. Идеальная кристаллическая поверхность растет за счет распространения отдельных слоев или, что то же самое, за счет бокового продвижения ступеней роста, ограничивающих слои. Для ощутимых скоростей роста этот механизм требует конечной движущей силы (или степени переохлаждения), чтобы снизить барьер зародышеобразования в достаточной степени, чтобы зарождение происходило посредством тепловых флуктуаций. В теории роста кристаллов из расплава Бертон и Кабрера различают два основных механизма:
Поверхность продвигается за счет бокового движения ступенек, которые составляют одну межплоскостную поверхность. расстояние по высоте (или некоторое его целое кратное). Элемент поверхности не претерпевает изменений и не продвигается нормально к себе, кроме как во время прохождения ступени, а затем продвигается на высоту ступеньки. Ступеньку полезно рассматривать как переход между двумя соседними участками поверхности, которые параллельны друг другу и, таким образом, идентичны по конфигурации - смещены друг от друга на целое число плоскостей решетки. Обратите внимание на явную возможность ступеньки на диффузной поверхности, даже если высота ступеньки будет намного меньше, чем толщина диффузной поверхности.
Поверхность продвигается перпендикулярно самой себе без необходимости ступенчатого механизма роста. Это означает, что при наличии достаточной термодинамической движущей силы каждый элемент поверхности способен непрерывно изменяться, способствуя продвижению границы раздела. Для острой или прерывистой поверхности это непрерывное изменение может быть более или менее равномерным на больших площадях при каждом следующем новом слое. Для более диффузной поверхности механизм непрерывного роста может потребовать одновременного переключения нескольких последовательных слоев.
Неравномерный боковой рост - это геометрическое движение ступеней - в отличие от движения всей поверхности перпендикулярно самой себе. В качестве альтернативы, равномерный нормальный рост основан на временной последовательности элемента поверхности. В этом режиме нет движения или изменения, кроме случаев, когда шаг проходит через непрерывное изменение. Предсказание того, какой механизм будет действовать при любом наборе данных условий, является фундаментальным для понимания роста кристаллов. Для этого прогноза использовались два критерия:
Независимо от того, является ли поверхность диффузной: диффузная поверхность - это поверхность, на которой переход от одной фазы к другой является непрерывным, происходящим в нескольких атомных плоскостях. В этом отличие от острой поверхности, у которой основное изменение свойств (например, плотности или состава) является прерывистым и обычно ограничивается глубиной одного межплоскостного расстояния.
Независимо от того, является ли поверхность сингулярной: особая поверхность - это поверхность, на которой поверхностное натяжение как функция ориентации имеет резкий минимум. Известно, что рост особых поверхностей требует ступенек, в то время как обычно считается, что неособые поверхности могут непрерывно продвигаться по нормали к себе.
Далее рассмотрим необходимые требования для появления боковой рост. Очевидно, что механизм бокового роста будет обнаружен, когда любая область на поверхности может достичь метастабильного равновесия в присутствии движущей силы. Тогда он будет стремиться оставаться в такой равновесной конфигурации до прохождения ступени. После этого конфигурация будет идентичной, за исключением того, что каждая часть ступени будет увеличиваться на высоту ступени. Если поверхность не может достичь равновесия при наличии движущей силы, то она продолжит движение, не дожидаясь бокового движения ступенек.
Таким образом, Кан пришел к выводу, что отличительной особенностью является способность поверхности достигать состояния равновесия в присутствии движущей силы. Он также пришел к выводу, что для каждой поверхности или границы раздела в кристаллической среде существует критическая движущая сила, которая, если она будет превышена, позволит поверхности или границе раздела продвигаться перпендикулярно самой себе, и, если не превышена, потребуется механизм бокового роста.
Таким образом, для достаточно больших движущих сил граница раздела может двигаться равномерно без использования механизма гетерогенного зародышеобразования или винтовой дислокации. То, что составляет достаточно большую движущую силу, зависит от диффузности границы раздела, так что для чрезвычайно диффузных поверхностей раздела эта критическая движущая сила будет настолько мала, что любая измеримая движущая сила превысит ее. В качестве альтернативы, для острых поверхностей раздела критическая движущая сила будет очень большой, и наибольший рост будет происходить за счет механизма бокового шага.
Обратите внимание, что в типичном процессе затвердевания или кристаллизации термодинамическая движущая сила определяется степенью переохлаждения.
Серебро сульфидные усы, растущие из резисторов для поверхностного монтажа. Обычно считается, что механические и другие свойства кристалла также имеют отношение к предмету исследования, и что кристалл обеспечивает недостающее звено между кинетикой роста и физические свойства. Необходимый термодинамический аппарат был предоставлен Джозией Уиллардом Гиббсом в исследовании гетерогенного равновесия. Он дал четкое определение поверхностной энергии, благодаря которому концепция поверхностного натяжения применима как к твердым телам, так и к жидкостям. Он также понимал, что анизотропная поверхностная свободная энергия подразумевает несферическую форму равновесия, которую следует термодинамически определять как форму, которая минимизирует общую поверхностную свободную энергию.
Может быть полезным отметить, что усы Рост обеспечивает связь между механическим явлением высокой прочности усов и различными механизмами роста, которые ответственны за их волокнистую морфологию. (До открытия углеродных нанотрубок монокристаллические вискеры имели самую высокую прочность на разрыв среди всех известных материалов). Некоторые механизмы создают бездефектные усы, в то время как другие могут иметь одновинтовые дислокации вдоль главной оси роста, создавая высокопрочные усы.
Механизм роста усов не совсем понятен, но, похоже, ему способствуют сжимающие механические напряжения, включая механически индуцированные напряжения, напряжения, вызванные диффузией различных элементов, и термически индуцированные напряжения. Металлические усы отличаются от металлических дендритов по нескольким параметрам. Дендриты имеют форму папоротника, похожую на ветви дерева, и растут по поверхности металла. Напротив, усы волокнистые и выступают под прямым углом к поверхности роста или субстрату.
Анимация НАСА образования дендритов в условиях микрогравитации. 
Дендриты марганца на плоскости известнякового напластования из Зольнхофен, Германия. Масштаб в мм. Очень часто при высоком пересыщении (или степени переохлаждения), а иногда даже при невысоком, кинетика роста может контролироваться диффузией. В таких условиях многогранная кристаллическая форма будет нестабильной, на ее углах и краях будут появляться выступы, где степень пересыщения находится на самом высоком уровне. Кончики этих выступов явно будут точками наибольшего перенасыщения. Обычно считается, что выступ будет становиться длиннее (и тоньше на кончике) до тех пор, пока эффект межфазной свободной энергии, повышающий химический потенциал, не замедлит рост кончика и не будет поддерживать постоянное значение толщины кончика.
В последующем процессе утолщения наконечника должна быть соответствующая нестабильность формы. Незначительные неровности или «выпуклости» следует преувеличивать - и они перерастают в быстрорастущие боковые ветви. В такой нестабильной (или метастабильной) ситуации небольшой степени анизотропии должно быть достаточно для определения направлений значительного ветвления и роста. Самым привлекательным аспектом этого аргумента, конечно же, является то, что он дает основные морфологические признаки дендритного роста.
